大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與滲流計(jì)算機(jī)模擬研究

鄭會耀

摘 要：在我國的大壩中，土石壩占比高達(dá)90%.由于材質(zhì)本身的自穩(wěn)性較差，極易出現(xiàn)滲流破敗的情況，而滲流會對大壩造成嚴(yán)重的損害。以大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為研究主體，深入闡述了總體設(shè)計(jì)方案和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、軟硬件的分類等，同時，還介紹了與滲流相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，以期為實(shí)際操作提供理論參考。

關(guān)鍵詞：大壩滲流；監(jiān)測系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)；設(shè)計(jì)方案

中圖分類號：TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.062

1 滲流監(jiān)測

實(shí)時監(jiān)測是保證水庫大壩安全的重要措施。壩體滲流會受三維因素的影響，而復(fù)雜的邊界條件、多樣化的地質(zhì)條件導(dǎo)致在壩體實(shí)施的防滲、導(dǎo)滲措施難以落實(shí)。通常情況下，滲流監(jiān)測是指用人工觀測記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，定期整編數(shù)據(jù)變化趨勢或者利用軟件進(jìn)行模擬操作，從而有效分析和控制大壩的工作性態(tài)。

2 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滲流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證堤壩工程安全、高效的運(yùn)行。在設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)時，不僅要實(shí)現(xiàn)對整體的宏觀把控，還要把控細(xì)節(jié)要點(diǎn)。整體設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)原則、基本功能和方案3部分；細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)則從滲流監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件2個方向加以研究、分析。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 總設(shè)計(jì)原則

以現(xiàn)有國家相關(guān)規(guī)范為設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)方案要滿足現(xiàn)行《大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾點(diǎn)：①專業(yè)性。嚴(yán)格測定觀測設(shè)備的架設(shè)位置，并結(jié)合工程施工現(xiàn)場的環(huán)境、地質(zhì)特征、數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)等選擇最具代表性的檢測點(diǎn)。②可靠性。因?yàn)榈虊谓ㄔO(shè)區(qū)的自然條件較為惡劣，所以，綜合地區(qū)氣候等條件，不僅要保證檢測系統(tǒng)性能的穩(wěn)定，還要在不同時段或者特殊環(huán)境中保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。③擴(kuò)展性。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)容量時，要考慮今后的擴(kuò)充范圍。④兼容性。對于不同類型的傳感器，信號處理和參數(shù)測定時要保證系統(tǒng)具有強(qiáng)大的兼容性。⑤經(jīng)濟(jì)、便于維護(hù)。在硬件設(shè)備上，要盡可能控制預(yù)算，保證其具有一定的檢測空間，而且便于后期維護(hù)。

2.1.2 基本功能

大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能有3點(diǎn)：①數(shù)據(jù)自動化采集。監(jiān)控系統(tǒng)分區(qū)設(shè)置檢測單元，通過上位機(jī)的管理，按照設(shè)定的檢測方式和頻率實(shí)時采集日常觀測數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)由串口傳入GPRS模塊。②實(shí)時監(jiān)控。對重點(diǎn)檢測區(qū)實(shí)時觀測記錄，結(jié)合采集信息對比設(shè)計(jì)允許值，根據(jù)偏差值判斷大壩的受力狀態(tài)，一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情，要即時啟動警報(bào)裝置。③測量數(shù)據(jù)計(jì)算。修正、整理前期采集的數(shù)據(jù)，分析不同時段的變化趨勢，判斷堤壩的滲流狀態(tài)能否達(dá)到理論預(yù)測。

2.1.3 總體設(shè)計(jì)方案

目前，大壩滲流監(jiān)測的內(nèi)容主要包括繞壩滲流、滲流量、揚(yáng)壓力、滲水壓力、導(dǎo)滲降壓和地下工程外水壓力等。由于系統(tǒng)監(jiān)測規(guī)模比較大，所以，在實(shí)際設(shè)置相關(guān)參數(shù)前，要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬測試。結(jié)合設(shè)計(jì)原則和系統(tǒng)的基本功能，總體設(shè)計(jì)方案主要包含3個模塊，即現(xiàn)場采集終端、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控中心。

2.1.3.1 現(xiàn)場監(jiān)測終端

現(xiàn)場監(jiān)測終端是由各式傳感器構(gòu)成并形成網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)構(gòu)，以監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)為主要功能。利用傳感器的工作原理可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測量、定時測量和巡回測量等，將采集數(shù)據(jù)合理分裝傳送至采集裝置（MCU）上。監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括大壩不同部位（壩基、壩體）的滲透壓力、水庫上下游水位和檢測區(qū)域水溫等。傳感器將測得的物理信號轉(zhuǎn)為電信號傳入采集模塊，而得出的數(shù)據(jù)通過封裝、串口傳送最終保存至GPRS模塊中。整個流程構(gòu)成現(xiàn)場監(jiān)測終端單元。

2.1.3.2 數(shù)據(jù)傳輸

相關(guān)數(shù)據(jù)是由傳感器采集的，將其傳至采集模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理、封裝儲存，再由串口傳至GPRS模塊。監(jiān)測中心利用網(wǎng)絡(luò)端口連接GPRS模塊讀取數(shù)據(jù)采集包，通過解析將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，以完成采集數(shù)據(jù)的傳輸工作。

2.1.3.3 監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控中心要分析、處理接收到的數(shù)據(jù)包，一方面，要接收、修改、分析、校核、封存數(shù)據(jù)；另一方面，要發(fā)送采集命令，通常是指采集形式、采集頻度和停止采集等，以實(shí)現(xiàn)雙向操控。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要指監(jiān)測傳感器選擇和監(jiān)測儀設(shè)計(jì)。其中，傳感器單元的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于選擇滲流監(jiān)測傳感器。監(jiān)測儀的硬件設(shè)計(jì)包括信號采集、信號轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)輸入、通訊部分和人機(jī)互動等。由于大壩滲流監(jiān)測時間跨度較大，所以，可采用上位機(jī)與測試單元、用戶交流。為了實(shí)時采集、記錄和快速反饋數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常帶有LCD顯示部分。整個監(jiān)測儀硬件設(shè)計(jì)部分包括電路的數(shù)字設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)和人機(jī)接口。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容有單片機(jī)終端軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。其中，單片機(jī)終端軟件設(shè)計(jì)主要是指應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)獲得、數(shù)據(jù)分析、通信串行；監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)主要是指數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算封裝和通信控制等。整個設(shè)計(jì)以模塊化的方式依次展開，結(jié)合系統(tǒng)的基本功能組合、調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)各部分的協(xié)調(diào)兼容，從而快速完成檢測數(shù)據(jù)的處理反饋。

3 大壩滲流計(jì)算機(jī)模擬

3.1 計(jì)算原理和軟件介紹

現(xiàn)階段，流體力學(xué)解法和水力學(xué)解法被廣泛應(yīng)用于大壩滲流計(jì)算中。根據(jù)廣義概念的解釋，還包括圖解法、試驗(yàn)法和函數(shù)計(jì)算法等。其中，流體力學(xué)解法僅適用于部分比較簡單的滲流情況。在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)邊界條件較為復(fù)雜時，對于非均質(zhì)、非穩(wěn)定的滲流，可采用水力學(xué)解法結(jié)合圖解法、試驗(yàn)法等公共求解。滲流計(jì)算是在已知定解條件下運(yùn)用相關(guān)方法計(jì)算滲流場水頭分布及其他滲流要素。20世紀(jì)60年代，有限單元法的提出為滲流計(jì)算提供了計(jì)算理論，推動了滲流計(jì)算向模型化的方向發(fā)展。其運(yùn)行的基本原理是將研究區(qū)域原有的連續(xù)性

狀態(tài)離解為多個有效的單元體進(jìn)行研究，通過變分原理等建立問題研究模式，得出近似解，最終運(yùn)用數(shù)學(xué)歸納法聯(lián)立方程式求解。在此過程中，將有限單元法原理充分智能化的是Ansys軟件。該軟件集結(jié)構(gòu)、流體、聲學(xué)等各類物理要素分析為一體，目前已被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。下面將以Ansys軟件為例介紹計(jì)算軟件在大壩滲流模擬中的作用。

3.2 模擬示例

筆者結(jié)合計(jì)算原理分析了某水庫壩體結(jié)構(gòu)斷面的滲流穩(wěn)定性，并用計(jì)算機(jī)模擬相關(guān)內(nèi)容。壩體土質(zhì)為黏土，將滲流系數(shù)設(shè)為a，繪制其斷面形式，如圖1所示。在Ansys軟件中，分析溫度場的相關(guān)情況得出計(jì)算方程，并將土體滲流問題轉(zhuǎn)化為溫度場問題。然后利用軟件提供的死活單元技術(shù)殺死處于壩體侵潤線上部的單元，激活下部單元，參照相應(yīng)的邊界條件分析相關(guān)內(nèi)容。如圖2所示，采用軟件中的網(wǎng)格自適應(yīng)系統(tǒng)得出滲流水頭分布圖、流速分布圖和滲流梯度分布圖等，以實(shí)現(xiàn)對壩體滲流各要素的計(jì)算機(jī)模擬。滲流梯度分布如圖3所示。

4 結(jié)束語

隨著水資源的深入開發(fā)，鑒于堤壩建設(shè)區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，對大壩的建設(shè)規(guī)模和所使用的技術(shù)提出了更高的要求。安全性是堤壩發(fā)揮其作用的前提條件，合理化、系統(tǒng)化、專業(yè)化的滲流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)是其中的重要環(huán)節(jié)。本文從滲流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)內(nèi)容出發(fā)，闡述了與其設(shè)計(jì)相關(guān)的要點(diǎn)，并分析了滲流的計(jì)算機(jī)模擬情況。

參考文獻(xiàn)

[1]田俊生，高明忠.大壩安全監(jiān)測技術(shù)研究[J].四川水力發(fā)電，2012（01）：85-88，160.

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